Распределенная генерация (Distributed Generation, DG) определяется как малая генерирующая установка, которая устанавливается в электрической системе и обычно подключается на подстанциях, на распределительных фидерах или на уровне нагрузки потребителя.
Распределенная генерация также определяется как установка и эксплуатация небольших модульных технологий производства электроэнергии, которые можно комбинировать с системами управления и хранения энергии. Она используется для улучшения работы систем электроснабжения у конечного пользователя или рядом с ним. Эти системы могут быть подключены или не подключены к электрической сети.
Распределенная генерация энергии принципиально отличается от традиционной модели центральной генерации, поскольку она может быть расположена рядом с конечными пользователями в промышленной зоне, рядом с населенным пунктом, на здании или внутри здания.
Различные типы распределенной генерации были разработаны в связи с растущим интересом к ней в последние годы.
Распределенной энергетике уделяется все больше внимания. Это в основном связано с различными ее преимуществами, такими как снижение потерь электроэнергии в системе распределения, уменьшение колебаний напряжения, повышение надежности, улучшение качества электроэнергии, снижение затрат на энергию и, в конечном итоге, повышение удовлетворенности потребителей энергии.
Распределенные энергетические системы (Distributed Energy System, DES) должны сыграть жизненно важную роль в достижении целей по выбросам и удовлетворении растущего глобального спроса на энергию к 2050 году.
Возобновляемые источники энергии в системах распределенной генерации
Мировой спрос на энергию растет в геометрической прогрессии. Обычные энергетические ресурсы (например, уголь, нефть и газ) исчерпаемы, и их предложение ограничено. Поэтому существует острая необходимость сохранения того, что у нас есть, и применения альтернативных источников энергии.
Среди различных видов возобновляемых источников энергии наиболее перспективными для человечества являются энергия солнца и ветра.
Фотогальванические элементы, топливные элементы и батареи генерируют постоянный ток, подходящий для нагрузок постоянного тока и генераторов постоянного тока. С другой стороны, постоянный ток можно преобразовать в переменный с помощью современной силовой электроники, а затем подключить к нагрузкам переменного тока и электросети.
Ветряные турбины, микротурбины и биомасса, обеспечивают переменный ток, который для некоторых применений должен контролироваться с использованием современного силового электронного оборудования для получения регулируемого напряжения.
Из-за большого количества возобновляемых источников энергии возобновляемая энергия и устройства накопления энергии станут основой энергетической системы в будущем.
Для интеграции большого количества возобновляемых источников энергии требуется реконфигурация и модернизация существующих энергосистем. Распределенная генерация и распределенные интеллектуальные электрические сети являются ключом к этой модернизации.
Основное различие между возобновляемыми и традиционными ресурсами заключается в том, что выход возобновляемых ресурсов зависит от переменных ресурсов, таких как энергия ветра или солнца. Мощность, производимая из возобновляемых источников, может колебаться больше, что затрудняет прогнозирование.
В случае, когда возобновляемые источники энергии подключается к локальной нагрузке для питания нагрузки во время перерывов для работы в автономном режиме, спрос и предложение могут не совпадать.
В этом случае они либо отключаются из-за срабатывания устройств защиты по частоте или напряжению, либо система отключает часть нагрузок и питает только критические нагрузки.
Области применение распределенной генерации
В настоящее время электроэнергия от распределенной генерации охватывает следующие области применения:
- Во-первых, электроэнергия подается в отдаленные регионы, такие как океанические острова и сельские районы, для решения местных проблем с электроснабжением.
- Во-вторых, она обеспечивает резервный источник питания для клиентов с высокими требованиями к надежности в случае сбоев в сети.
- В-третьих, она поддерживает сглаживание пиковых нагрузок, подавая питание в периоды пиковой нагрузки, что помогает снизить эти пиковые нагрузки.
- В-четвертых, она поставляет разнообразные энергетические продукты через систему мультигенерации, сочетающую возможности охлаждения и нагрева, чтобы удовлетворить разнообразные потребности клиентов и повысить общую эффективность использования.
- В-пятых, она поддерживает напряжение, снижает потери мощности и улучшает коэффициент мощности.
- В-шестых, распределенная генерация обеспечивает определенные экономические выгоды для потребителей электроэнергии.
Влияние технологического прогресса
В распределенной генерации нет ничего нового. Когда начала развиваться электроэнергетика, установленная мощность была ограничена, а классы напряжения были низкими. Производство электроэнергии было в основном распределительным с источниками электроэнергии, подключенными к небольшой местной сети для распределения среди местных потребителей.
Тем не менее, с развитием энергетических технологий, единичная мощность и размер сети увеличивались, с постоянно более высокими классами напряжения и все более заметной экономией за счет масштаба. При этом, наоборот, генерирующие установки малой мощности становятся все менее конкурентоспособными.
В двадцать первом веке, со значительным повышением эффективности и большей экологической выгодой, малая гидроэнергетика, энергия ветра и солнечная энергия становятся важными для будущего развития энергетики.
С точки зрения управления отдельными блоками, распределенная энергетика позволяет на стороне потребителя обеспечить совместную работу газового и электрифицированного оборудования, сочетающего возможности охлаждения и обогрева, что повысило интегральную эффективность использования энергии до более чем 65%.
Применение распределенной генерации в энергосистеме
Существует несколько применений распределенной генерации в энергосистеме, например:
- Устройства распределенной генерации могут быть разбросаны по разным местам. Может использоваться как резервный источник питания. Если сетевое питание отключает чувствительные нагрузки, например, обрабатывающие производства и больницы, то они могут обеспечить аварийное питание для этих нагрузок.
- Распределенная генерация может снабжать электроэнергией изолированные населенные пункты, где районы представляют собой географические препятствия и их трудно подключить к основной энергосистеме. Таким образом, она может улучшить экономическое положение изолированных сообществ.
- Стоимость электроэнергии зависит от электрической нагрузки. Когда нагрузка высока, цена на электроэнергию будет высокой, и наоборот. Распределенная генерация может поставлять электроэнергию в нагрузку, когда потребность высока. В результате потребитель может снизить стоимость электроэнергии для оплаты повременных тарифов.
- Она может поставлять электроэнергию для сельских и удаленных районов, включая освещение, отопление, охлаждение, связь, обеспечивать электроэнергией небольшие удаленные промышленные процессы.
- Индивидуальный владелец устройств распределенной генерации обычно используется в качестве базовой нагрузки для обеспечения части основной необходимой мощности и поддержки сети за счет улучшения профиля напряжения системы. Этот подход также помогает снизить потери мощности и улучшить качество электроэнергии в системе.
В настоящее время большинство резервных генераторов представляют собой дизельные генераторы из-за их низкой стоимости, доступности топлива и быстрого запуска. К локальной нагрузке подключается резервный дизельный генератор, а на фидерной стороне локальной нагрузки устанавливается ручной или автоматический выключатель.
Во время замыканий на главном фидере или его ответвлениях автоматический выключатель на стороне подстанции сработает, чтобы устранить неисправность, что приведет к отключению всего фидера. Затем переключатель включения резервного питания может быть замкнут, и блок распределенной генерации может начать питать свою локальную нагрузку.
Присутствие установок распределенной генерации может повысить надежность системы электроснабжения в результате питания потребителей в изолированном режиме.
Изолированная работа подразумевает, что нагрузки отключаются от подстанции и питаются от установок распределенной генерации до тех пор, пока коммунальное предприятие не восстановит питание от основного источника.
Распределенная энергетика может быть не в состоянии полностью удовлетворить спрос в изолированном режиме. Это связано с доступностью и мощностью установок распределенной генерации, особенно когда она зависит от возобновляемых ресурсов.
Влияние интеграции распределенной генерации на надежность систем распределения электроэнергии
Распределенная генерация влияет на работу электрических сетей, включая потоки мощности и напряжения, а также влияет на потери в энергосистеме.
Во многих случаях ее влияние на потери положительное, так как такие установки часто располагаются близко к потребителям энергии. Это сокращает расстояние, на которое необходимо транспортировать энергию, и, следовательно, снижает потери. Она также может влиять на надежность и качество электроснабжения в электрической системе.
Использование большинства возобновляемых источников энергии, таких как ветряные электростанции и фотоэлектрические системы, в качестве установок для распределенной генерации приводит к основным проблемам: изменчивости и неуправляемости выходной мощности.
Действительно, эти основные особенности приводят к дополнительным опасениям при применении возобновляемых источников энергии в энергосистеме. Использование систем накопления энергии предлагается и является одним из наиболее подходящих решений в этой области. Они позволят оптимально управлять энергосистемой.
Как правило, энергосистемы на основе распределенной генерации могут работать в автономном или автономном и подключенном к сети режимах.
Фактически в первом режиме мощность установки для распределенной генерации выбираются только исходя из требований нагрузки. Но в последнем случае это ограничение не является определяющим.
Хотя режим работы с подключением к сети обычно предпочтительнее из-за двустороннего обмена энергией, условие изоляции является основной проблемой, которую следует учитывать.
Изолированность означает, что одна или несколько электростанций, изолированных от энергосистемы, питают часть электрической сети самостоятельно и после некоторых сбоев в основной сети.
Работа в изолированном режиме нежелательна, так как этот режим может вызвать нежелательные проблемы, такие как создание опасности для обслуживающего и ремонтного персонала, а также повреждение оборудования из-за нестабильности напряжения и частоты.
Технические проблемы:
- Стабильность: подключение установок для распределенной генерации к сети влияет на угол ротора, напряжение и стабильность частоты сети. В зависимости от типа и размера генераторов либо улучшает, либо ухудшает стабильность системы.
- Качество электроэнергии. Качество электроэнергии в сети в последнее время стало проблемой из-за более широкого использования силовых электронных устройств. Большинство распределенных генераторов подключены к сети через силовые электронные схемы. Использование этих силовых электронных интерфейсов усугубляет уже существующую проблему качества электроэнергии.
- Колебания напряжения: мощность, подаваемая некоторыми технологиями, такими как ветряные турбины и фотоэлектрические электростанции, колеблется. Это приводит к локальным колебаниям напряжения.
- Существует ограничение на количество блоков установок распределенной генерации, которые можно подключить к системе. Это ограничение зависит от размера и типа системы. Подаваемая реактивная мощность должна быть равна потребности в реактивной мощности, чтобы поддерживать уровень напряжения системы в допустимом диапазоне. Подключение большего количества блоков может увеличить подаваемую реактивную мощность, тем самым значительно повысив уровень напряжения в системе.
- Установки распределенной генерации увеличивают ток короткого замыкания при КЗ, что предъявляет более высокие требования к защите. Поэтому для их использования необходимо использовать усовершенствованные устройства защиты, что увеличивает стоимость системы.
- Повышение уровня проникновения распределенной генерации затруднено, а также требуется много времени для локализации какой-либо неисправности в системе. Более того, направление тока становится непредсказуемым.
- Существующая система радиального распределения и управления рассчитана на управление потоком мощности только в одном направлении. При подключении установок распределенной генерации поток мощности течет в обоих направлениях. Поэтому существующие системы нуждаются в модернизации.
Экономические проблемы:
- Из-за непредсказуемого характера стоимости топлива трудно правильно спланировать присоединение установок распределенной генерации к электрической сети. Это приводит к финансовым проблемам для клиентов.
- Сетевой оператор должен различать мощность от сети и мощность от таких генераторов.
- Как упоминалось ранее, необходимо усиление уже существующих защитных устройств, что увеличивает стоимость системы.
- Необходимые улучшения в системе увеличивают общую стоимость энергосистемы.
Распределенная энергетика пользуется высоким политическим приоритетом во многих странах и, вероятно, ее ждет светлое будущее. Тем не менее, она не всегда легко вписывается в современные централизованные энергосистемы.
Часто утверждается, что распределенная генерация может снизить сетевые затраты. Однако во многих случаях электрическим сетям необходимо адаптироваться к ней, что влечет за собой дополнительные расходы.
Воздействие распределенной генерации на окружающую среду
Распределенная энергетика может принести пользу окружающей среде, если ее использование снижает количество электроэнергии, которая должна быть выработана на централизованных электростанциях, что, в свою очередь, может уменьшить воздействие централизованной генерации на окружающую среду.
Конкретно:
- Существующие экономичные технологии распределенной генерации могут использоваться для выработки электроэнергии в домах и на предприятиях с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и ветер.
- Распределенная генерация может использовать энергию, которая в противном случае могла бы быть потрачена впустую, например, через комбинированную систему производства тепла и электроэнергии.
- Используя местные источники энергии, распределенная генерация уменьшает или устраняет потери энергии, которые происходят во время передачи и распределения в системе доставки электроэнергии.
Однако распределенная генерация также может привести к негативным последствиям для окружающей среды:
- Для систем распределенной генерации требуется выделить место для их размещения, и, поскольку они расположены ближе к конечному пользователю, некоторые системы распределенной генерации могут быть неприятными для глаз или вызывать проблемы с землепользованием.
- Некоторые технологии распределенной генерации, включающие сжигание, в частности сжигание ископаемого топлива, могут оказывать многие из тех же воздействий, что и более крупные электростанции, работающие на ископаемом топливе, например, загрязнение воздуха. Эти воздействия могут быть меньше по масштабу, чем воздействия крупной электростанции, но также могут быть ближе к населенным пунктам.
- Для некоторых технологий распределенной генерации, таких как сжигание отходов, сжигание биомассы и комбинированное производство тепла и электроэнергии, может потребоваться вода для производства пара или охлаждения.
- Системы распределенной генерации, использующие сжигание, могут быть менее эффективными, чем централизованные электростанции, из-за эффективности масштаба.
- Технологии распределенной энергии могут вызвать некоторые негативные экологические проблемы в конце срока их полезного использования, когда они заменяются или удаляются.
Интеграция возобновляемых источников энергии в электрическую сеть имеет очевидные экологические преимущества. Но модернизировать обширную имеющуюся энергетическую инфраструктуру очень сложно.
Направление развития и перспективы
В будущем развитие распределенной энергетики будет сосредоточено в основном на развитии экологически чистых источников энергии, таких как солнечная, ветровая и малая гидроэнергетика вблизи центров нагрузки.
Инновации в технологиях распределенной энергетики будут сосредоточены на технологиях защиты сетевых соединений, контроля и мониторинга качества электроэнергии, технологиях синхронной работы распределенной генерации, накопления энергии, технологиях адаптации к спросу на крупномасштабный сетевой доступ к распределенной генерации и взаимодействие между источниками энергии, сетями и нагрузками, технологиях управления информационными потоками между распределенной генерацией и распределительными сетями и технологиях потребления энергии от распределенной генерации на основе «виртуальной электростанции».
